神州13号三人组要在空间站驻留长达6个月。空间站距离地面高度约400公里,运行速度约7.68km/s。如果忽略起飞与降落,以该速度从北京飞到上海只需要2分多钟。
有些小伙伴提出疑问:速度这么快,驻留这么久,航天员会不会产生时间膨胀,减缓衰老?
结论:时间膨胀是相对其他人而言的,并不会改变自己的生理时间。根据《相对论》,三人组时间流逝相对地面会变慢,但差别几乎可以忽略不计,与地面上的人相比,累积6个月减慢不到1秒。
时间膨胀效应来源于《相对论》,爱因斯坦用《相对论》重新定义了时间、空间、物质之间的关系,分为“狭义”和“广义”两个部分。狭义描述了“速度时间膨胀效应”,广义描述了“引力时间膨胀”,空间站的时间膨胀为两者的叠加。
速度时间膨胀
速度时间膨胀指的是高速运动的物体时间流逝速度会变慢。还有一种说法是“动钟变慢”,高速运动的时钟摆动会变慢。《狭义相对论》是基于两条公理:相对性原理与光速不变原理。“光速不变”指的是:
彼此做匀速直线运动的任何惯性参考系中,所观察到的光速都是一样的,约为30万公里/秒(真空中)。
下面举例说明一下:
(妹妹在地面上)
假设一对孪生姐妹,姐姐是航天员乘坐0.866倍光速的飞船出征星辰大海,临行前妹妹将两个同步的光钟分给了姐姐一个,光会光钟内上下摆动进行计时。
(姐姐在飞船上)
由于速度是相对的,所以假设妹妹不动(以妹妹为参考系)。妹妹看向飞船,非常震惊,因为她发现飞船上姐姐的光钟轨迹为沿飞船速度方向“斜上斜下”运动,自己身边的光钟是“直上直下”的。
由于光速“C”对于两人来说是一样的,但斜线更长(t=斜边/C),所以妹妹认为姐姐的光钟摆动慢了,姐姐衰老的速度将比自己慢。根据勾股定理可以计算出:如果姐姐光钟走了1年,那么妹妹的光钟会走2年,妹妹比姐姐大1岁。
如果以姐姐为参考系(飞船不动),地球以0.886C离飞船远去,姐姐也会发现妹妹的光钟走斜线,变慢了,自己应该比妹妹大1岁。由于速度是相对的,所以结果是一样的。那么姐姐返航后,谁更大?
答案是妹妹,我们引入第三方“地球”为参考系最好解释,飞船始终是“动钟”,由于动钟变慢,所以重逢时姐姐更年轻。
实验与空间站
速度时间膨胀有点反常识,但1941年就已经被μ子观测实验所证实。μ子是一种极不稳定的粒子,由宇宙射线撞击大气分子所产生,平均寿命只有2.2微秒,衰变之前能移动的距离不到700米。
按理说山顶观测到的μ子,还没到海平面,它们就该消失了。然而,海平面依然能观测大量μ子,而且只比山顶观测到的少了一点。这是因为μ子速度接近光速,时间膨胀效应使其衰变速度减慢了约10倍。
我国空间站速度大约为7.7km/s,看似很快,但相对于光速仅不到十万分之三,所以速度产生的时间膨胀很小。通过速度时间膨胀公式计算,结果约为5.2毫秒(累计6个月的量)。
引力时间膨胀
《广义相对论》讲述了“引力时间膨胀”,引力越大,时间流速越慢。相对于地面上的人员,空间站离地球更远,所受引力更小,因此时间流速会更快。
物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。
简单来说:时空就像一块海绵,当物质出现在其中,时空就会出扭曲。光总是在时空中寻找两点间最短的路线,在一般情况下(平直时空)它们沿直线传播,但经过质量较大的天体时,光的行进路线会出现明显的偏转。例如:黑洞可以让光“只进不出”。
实际上,这是光在扭曲的时空中沿短程线行进的现象,光偏转的角度就是时空的曲率,这是引力的本质。由于光经过扭曲时空所需时间更长,所以空间曲率越大,时间流逝就会越慢。
不过,地球的质量在宇宙中连尘埃都排不上。空间站离地面约为400公里,虽然地面引力更大些,但引力产生的时间膨胀非常小。
根据场方程的史瓦西真空解,6个月累计的引力时间膨胀会导致地面比空间站慢0.68ms,或者说空间站比地面快0.68ms。综合速度和引力两个因素,空间站6个月,总计比地面慢4.52ms。因此航天员,在我们眼里这辈子将会多活4.52ms,但对于他们自身而言依旧不变。这种差别对于人来说可以忽略不计,但对于空间站来说却十分重要。
空间站平均每天比地面慢25.4微秒,根据其高度,定位误差会达到7.6km,6个月不修正将达到1300多公里。因此卫星发射前都会调慢原子钟的振幅,例如GPS卫星,高数万里,引力时间膨胀占主导,每天都会比地面快38微秒,如果不修正,一天下来地面导航误差能达到10多公里,一不小心就会把汽车引到沟里。